一種基於襯底偏置的超低耗電流復用混頻器的製作方法

2023-05-11 08:50:16

專利名稱：一種基於襯底偏置的超低耗電流復用混頻器的製作方法
技術領域：
本發明屬於深亞微米RF CMOS集成電路領域，具體涉及一種基於襯底偏置的超低耗電流復用混頻器。
背景技術：
射頻前端將天線接收到的信號進行放大，混頻，和模數轉換，完成射頻信號到基帶信號的轉換。混頻器是其中的重要組成部分，完成系統的頻率轉換功能，線性度、轉換增益、 噪聲和功耗等是混頻器的關鍵性能參數，直接影響著整個接收機的性能。這些性能參數之間互相影響互相制約，如何尋求一個折衷方案成為近年來設計的難點。目前，無線通信設備正朝著重量輕，體積小，功耗低，成本低的方向迅速發展，對於導航接收機等可攜式電子設備，也需要低電壓低功耗電路來延長電池的使用壽命，並減小系統散熱帶來的壓力，以保證系統長時間的穩定工作。隨著深亞微米集成電路的迅猛發展， CMOS電晶體特徵尺寸和柵氧厚度不斷減小，過驅動電壓也不斷降低，使得低電壓低功耗的設計成為可能。附圖I所示的雙平衡Gilbert混頻器目前應用最為廣泛，它由跨導級(第一電晶體M1，第二電晶體M2)、開關級(第三電晶體M3，第四電晶體M4，第五電晶體M5，第六電晶體M6)和負載電阻RL堆疊於電源(Vdd)和地(GND)之間。跨導級將射頻輸入電壓信號轉化成電流，開關級通過交替打開、關閉MOS管實現頻率轉換。射頻差分信號的兩路信號分別為RF+和RF-，本振差分信號兩路分別為LO+和L0-，中頻差分信號分別兩路IF+和IF-。在傳統的Gilbert混頻器中，所有的直流電流都流過跨導級、開關級和負載級。跨導級和開關級的電晶體分別需要一定的開啟電壓，而負載電阻也將消耗一定的直流壓降， 因而往往需要較高的電源電壓。如果採用低電源電壓，這種結構不能保證所有的管子都工作在飽和區。此外，傳統Gilbert混頻器的轉換增益和線性度的改善通常通過增大輸入跨導級的電流來實現。但是如此，開關級電流增大，會增大開關級的噪聲貢獻；負載級的電流增大， 會消耗電壓裕度，也會增加電阻的噪聲貢獻。可見，傳統的混頻器在轉換增益、線性度、噪聲和電壓裕度的設計上存在著矛盾， 且很難實現低電壓低功耗設計。

發明內容
本發明的目的是為了克服現有技術中的不足，提出一種基於襯底偏置的超低耗電流復用混頻器，可應用於數位電視、無線通信和導航接收機。本發明採用電流復用技術，通過電流注入，增大跨導級的電流，而不增加開關級和負載電阻的偏置電流，使得在提高轉換增益和線性度的同時不帶來噪聲性能的惡化和消耗更多的電壓裕度；本發明電路設計中採用摺疊結構，減少電源和地之間堆疊的管子數目，同時對跨導級採用自偏置結構，可大大降低電源電壓；本發明對電路中所有MOS管米用襯底偏置技術,減小了 MOS管的閾值電壓,實現了超低電壓超低功耗的設計。本發明的一種基於襯底偏置的超低耗電流復用混頻器，包括自偏置的互補跨導級、與跨導級構成摺疊結構的開關級和電阻構成的負載級。所述的跨導級包括第一 NMOS管、第二 NMOS管、第一 PMOS管、第二 PMOS管、第一電阻、第二電阻、第三電阻、第四電阻、第一電容和第二電容；射頻差分信號的一路RF+輸入到第一 PMOS管的柵極，並且RF+還通過第一電容輸入到第一 NMOS管的柵極；第一 NMOS管的源級接地，漏極接第一 PMOS管的漏極；第一 PMOS 管的源級接電源Vdd，漏極通過第一電阻與柵極相連；射頻差分信號的另一路RF-輸入到第二 PMOS管的柵極，並且RF-還通過第二電容輸入到第二NMOS管的柵極；第二NMOS管的源級接地，漏極接第二PMOS管的漏極；第二PMOS 管的源級接電源Vdd，漏極通過第二電阻與柵極相連；偏置電壓vrf分別通過第三電阻和第四電阻接第一 NMOS管的柵極和第二 NMOS管的柵極。所述的開關級包括第三NMOS管、第四NMOS管、第五NMOS管、第六NMOS管、第五電阻和第六電阻；第三NMOS管的柵極和第六匪OS管的柵極相連，形成共柵極A，第四NMOS管的柵極和第五NMOS管的柵極相連形成共柵極B，本振差分信號分別為兩路LO+和L0-，L0+、L0_分別輸入到共柵極A、共柵極B ;第三NMOS管的源級和第四NMOS管的源級相連，並連接第一 NMOS管的漏極；第五NMOS管的源級和第六NMOS管的源級相連，並連接第二NMOS管的漏極; 第三NMOS管的漏極和第五NMOS管的漏極相連，形成共漏極C，第四NMOS管的漏極和第六 NMOS管的漏極相連，形成共漏極D，中頻差分信號分別為兩路IF+和IF-，IF+、IF-分別從共漏極C、共漏極D輸出；偏置電壓vlo分別通過第五電阻、第六電阻接第三NMOS管的柵極、第四NMOS管的柵極。所述的負載級包括第七電阻和第八電阻；第七電阻的一端接電源Vdd，另一端接第三NMOS管的漏極；第八電阻的一端接電源Vdd，另一端接第四NMOS管的漏極。本發明的原理如下(I)採用電流復用技術分別通過第一 PMOS管和第二 PMOS管對第一 NMOS管和第二 NMOS管注入電流，來增加射頻偏置電流，從而可以提高混頻器的線性度和轉換增益；(2)採用互補跨導結構第一 PMOS管和第二 PMOS管分別與第一 NMOS管和第二 NMOS管構成反相器的結構，被用於放大射頻信號。這種結構下的總跨導等於NMOS管跨導和 PMOS管跨導的總和，可以進一步實現較高的增益。(3)電路整體採用摺疊結構，射頻偏置電流只有一部分流入到開關級和負載級，使得開關級和負載級對噪聲的整體貢獻降低。(4)對第一PMOS管和第二PMOS管採用自偏置設計，分別通過第一電阻和第二電阻使得它們的柵漏極電壓相同，從而一直處於飽和區。此種結構下最小的電源電壓滿足
Vddmin = Vovn+Vovp+Vt其中，Vovn代表第一 NMOS管的過驅動電壓(等於第二 NMOS管的過驅動電壓)，Votp 代表第一 PMOS管的過驅動的電壓(等於第二 PMOS管的過驅動電壓)，Vt代表電晶體的閾值電壓，在O. 18微米工藝下，Vt的典型值為O. 5V左右。可見，此種電路設計相對於傳統的混頻器而言，可大大降低電源電壓。(5)採用襯底偏置技術分別對電路中的NMOS管和PMOS管的襯底進行固定偏置， 減小MOS管的閾值電壓，可實現了混頻器的超低電壓超低功耗設計。傳統的襯底驅動技術中存在著襯底驅動電晶體跨導較小的和等效噪聲較大的缺點，本發明將襯底偏置技術與電流復用技術以及摺疊電路結構結合在一起，克服了傳統襯底驅動技術的不足，並且可以與現有的CMOS工藝完全兼容。本發明一種基於襯底偏置的超低耗電流復用混頻器相對於傳統的Gilbert混頻器而言更易於在轉換增益、線性度和噪聲、電壓裕度之間實現折衷設計，可在提高轉換增益和線性度的同時不帶來噪聲性能的惡化，同時實現了超低電壓超低功耗的設計，更加適用於可攜式的可移動終端。


圖I為現有技術中傳統的雙平衡Gilbert混頻器電路圖
圖2為本發明的電路圖3為本發明的跨導級電路不意圖4為本發明的襯底偏置的不意圖5為本發明的轉換增益和IdB壓縮點仿真結果；
圖6為本發明的噪聲係數仿真結果。
具體實施例方式下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。本發明的一種基於襯底偏置的超低耗電流復用混頻器，如附圖2所示，該混頻器包括自偏置的互補跨導級、與跨導級構成摺疊結構的開關級、電阻構成的負載級。所述的跨導級包括第一 NMOS管Ml、第二 NMOS管M2、第一 PMOS管PM I、第二 PMOS 管PM2、第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3、第四電阻R4、第一電容Cl和第二電容C2。射頻差分信號的一路RF+輸入到第一 PMOS管PMl的柵極，並且RF+還通過第一電容Cl輸入到第一 NMOS管Ml的柵極。第一 NMOS管Ml的源級接地，漏極接第一 PMOS管PMl 的漏極；第一 PMOS管PMl的源級接電源Vdd，漏極通過第一電阻Rl與柵極相連。射頻差分信號的另一路RF-輸入到第二 PMOS管PM2的柵極，並且RF-還通過第二電容C2輸入到第二 NMOS管M2的柵極。第二 NMOS管M2的源級接地，漏極接第二 PMOS管 PM2的漏極；第二 PMOS管PM2的源級接電源Vdd，漏極通過第二電阻R2與柵極相連。偏置電壓vrf分別通過第三電阻R3和第四電阻R4接第一 NMOS管Ml的柵極和第
二NMOS管M2的柵極。所述的開關級包括第三NMOS管M3、第四NMOS管M4、第五NMOS管M5、第六NMOS管 M6、第五電阻R5和第六電阻R6。
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其中，第三NMOS管M3、第四NMOS管M4組成一對NMOS管，第五NMOS管M5、第六 NMOS管M6組成一對NMOS管，第五電阻R5、第六電阻R6組成一對偏置電阻。第三NMOS管M3的柵極和第六NMOS管M6的柵極相連，形成共柵極A，第四NMOS 管M4的柵極和第五NMOS管M5的柵極相連形成共柵極B，本振差分信號分別為兩路LO+和 L0-, LO+,LO-分別輸入到共柵極A、共柵極B。第三NMOS管M3的源級和第四NMOS管M4的源級相連，並連接第一 NMOS管M I的漏極；第五NMOS管M5的源級和第六NMOS管M6的源級相連，並連接第二 NMOS管M2的漏極。第三NMOS管M3的漏極和第五NMOS管M5的漏極相連，形成共漏極C，第四NMOS管M4的漏極和第六NMOS管M6的漏極相連，形成共漏極D， 中頻差分信號分別為兩路IF+和IF-，IF+、IF-分別從共漏極C、共漏極D輸出。偏置電壓vlo分別通過第五電阻R5、第六電阻R6接第三NMOS管M3的柵極、第四 NMOS管M4的柵極。所述的負載級包括第七電阻R7和第八電阻R8。第七電阻R7和第八電阻R8形成一對負載電阻。第七電阻R7的一端接電源Vdd，另一端接第三NMOS管M3的漏極；第八電阻R8的一端接電源Vdd，另一端接第四NMOS管M4的漏極。所述混頻器中所有NMOS管(即第一 NMOS管Ml、第二 NMOS管M2、第三NMOS管M3、 第四NMOS管M4、第五NMOS管M5、第六NMOS管M6)的襯底端接偏置電壓vbiasn，所有PMOS 管(即第一 PMOS管PM1、第二 PMOS管PM2)的襯底端接偏置電壓vbiasp。所有混頻器中電晶體均為工藝庫中的射頻NMOS管和射頻PMOS管，所有無源器件均為工藝庫中的射頻電阻和射頻電容。圖3為本發明一種基於襯底偏置的超低耗電流復用混頻器的跨導級電路示意圖。 第一 PMOS管PMl對第一 NMOS管Ml進行電流注入，Ief = Ιω+ΙΡ，其中Ikf為射頻偏置電流，
為流經開關管的電流，Ip為第一 PMOS管PMl注入的電流。通過調整Ip的大小，可以增加射頻偏置電流，從而增加轉換增益和提高線性度；同時可以減少流經開關級的電流，使得其輸出的平均噪聲電流減小，混頻器的閃爍噪聲也因此減少。同時第一 PMOS管PMl和第一 NMOS管Ml構成反相器結構，用於放大信號。這種結構下的總跨導為Gm = gmp+gnm，其中gmp和gmn分別為第一 PMOS管PMl的跨導和第一 NMOS管 Ml的跨導。此時混頻器轉換增益為CG =w) ){gmn+gmp)RL(I)
疋池ho其中Λ是本振信號經開關級打開和關閉的時間間隔，是本振信號頻率，&為負載電阻阻值。從式(I)可以看出，該結構可以增加跨導級的總跨導，從而提高混頻器的轉換增益。此外，第一電阻Rl接在第一 PMOS管PMl的柵極和漏極之間，形成自偏置結構，此時第一 PMOS管PMl將一直處於飽和區。分析此時的最低電源電壓如下第一 NMOS管Ml的過驅動電壓V_和第一 PMOS管PMl的過驅動的電壓Vtjvp分別為Vovn = Vrf-Vt(2)Vovp = Vdd-VVt(3)
而Ve > Vrf-Vt(4)將式⑵和式⑷帶入到式(3)中，可以得到Vddfflin = Vovn+Vovp+Vt (5)可見，此時的電源電壓可以降到比較低就可以保證混頻器的正常工作。為了進一步降低電源電壓，可以採用襯底偏置的方法來降低電路中MOS管閾值電壓。襯底偏置技術的工作原理類似於結型場效應管，圖4為本發明涉及的襯底偏置技術示意圖，原理是在MOS管的柵極和源級之間加上足夠大的固定電壓，以形成反型層。當襯底和源級之間的電壓發生變化時，襯底和溝道間的耗盡層厚度將發生改變，進而改變溝道反型層的厚度，從而影響溝道電流的大小。在加入襯底偏置電壓之後，電晶體的閾值電壓^GS(Jh) = ^ro +~ ^bs \ ~ yj ^^f\)其中ΦΡ為襯底費米電勢，Vto為界面的電子濃度等於P型襯底的多子濃度時的柵壓，Y為體效應係數，典型值在0.31/2和0.41/2之間。從中可以看出，可以通過Vbs的調節， 改變電晶體的閾值電壓，從而便於低電壓電路的實現。在O. 18ym CMOS工藝下對本發明的設計實例進行了仿真測試，測試結果如下本實施例中所設計的混頻器工作電源電壓僅為O. 6V，功耗僅為O. 76mff,實現了超低電壓超低功耗的設計。如圖5所示，本實施例中所設計的混頻器，當射頻信號、本振信號和中頻信號分別為1600MHz、1300MHz和300MHz時，轉換增益為5. 883dB, IdB壓縮點為-16. 57dBm。可見該混頻器具有合適的轉換增益和良好的線性度。如圖6所示，本實施例中所設計的混頻器的雙邊帶噪聲係數為13. 87dB，具有良好的噪聲性能。本發明公開了一種基於襯底偏置的超低耗電流復用混頻器。該混頻器同時採用了襯底偏置技術和電流復用技術，並將其應用於摺疊架構的混頻器，實現了超低電壓超低功耗的設計，且良好實現了轉換增益、線性度和噪聲性能之間的折衷設計，可廣泛應用於航空航天領域的電子系統中。
權利要求
1.一種基於襯底偏置的超低耗電流復用混頻器，其特徵在於，包括自偏置的互補跨導級、與跨導級構成摺疊結構的開關級和電阻構成的負載級。
2.根據權利要求I所述的一種基於襯底偏置的超低耗電流復用混頻器，其特徵在於， 所述的跨導級包括第一 NMOS管、第二 NMOS管、第一 PMOS管、第二 PMOS管、第一電阻、第二電阻、第三電阻、第四電阻、第一電容和第二電容；射頻差分信號的一路RF+輸入到第一 PMOS管的柵極，並且RF+還通過第一電容輸入到第一 NMOS管的柵極；第一 NMOS管的源級接地，漏極接第一 PMOS管的漏極；第一 PMOS管的源級接電源Vdd，漏極通過第一電阻與柵極相連；射頻差分信號的另一路RF-輸入到第二 PMOS管的柵極，並且RF-還通過第二電容輸入到第二 NMOS管的柵極；第二 NMOS管的源級接地，漏極接第二 PMOS管的漏極；第二 PMOS管的源級接電源Vdd，漏極通過第二電阻與柵極相連；偏置電壓vrf分別通過第三電阻和第四電阻接第一 NMOS管的柵極和第二 NMOS管的柵極。
3.根據權利要求I所述的一種基於襯底偏置的超低耗電流復用混頻器，其特徵在於， 所述的開關級包括第三NMOS管、第四NMOS管、第五NMOS管、第六NMOS管、第五電阻和第六電阻；第三NMOS管的柵極和第六NMOS管的柵極相連，形成共柵極A，第四NMOS管的柵極和第五NMOS管的柵極相連形成共柵極B，本振差分信號分別為兩路LO+和L0-，L0+、L0_分別輸入到共柵極A、共柵極B ;第三NMOS管的源級和第四NMOS管的源級相連，並連接第一 NMOS 管的漏極；第五NMOS管的源級和第六NMOS管的源級相連，並連接第二 NMOS管的漏極；第三 NMOS管的漏極和第五NMOS管的漏極相連，形成共漏極C，第四NMOS管的漏極和第六NMOS 管的漏極相連，形成共漏極D，中頻差分信號分別為兩路IF+和IF-，IF+、IF-分別從共漏極 C、共漏極D輸出；偏置電壓vlo分別通過第五電阻、第六電阻接第三NMOS管的柵極、第四NMOS管的柵極。
4.根據權利要求3所述的一種基於襯底偏置的超低耗電流復用混頻器，其特徵在於， 所述的第三NMOS管、第四NMOS管組成一對NMOS管，第五NMOS管、第六NMOS管組成一對 NMOS管，第五電阻、第六電阻組成一對偏置電阻。
5.根據權利要求I所述的一種基於襯底偏置的超低耗電流復用混頻器，其特徵在於， 所述的負載級包括第七電阻和第八電阻；第七電阻的一端接電源Vdd，另一端接第三NMOS管的漏極；第八電阻的一端接電源 Vdd,另一端接第四NMOS管的漏極。
6.根據權利要求I至4任意一個所述的一種基於襯底偏置的超低耗電流復用混頻器， 其特徵在於，所述混頻器中所有NMOS管，即第一 NMOS管、第二 NMOS管、第三NMOS管、第四 NMOS管、第五NMOS管、第六NMOS管的襯底端接偏置電壓vbiasn，所有PMOS管，即第一 PMOS 管、第二 PMOS管的襯底端接偏置電壓vbiasp。
7.根據權利要求I所述一種基於襯底偏置的超低耗電流復用混頻器，其特徵在於所有混頻器中電晶體均為工藝庫中的射頻NMOS管和射頻PMOS管，所有無源器件均為工藝庫中的射頻電阻和射頻電容。
全文摘要
本發明公開了一種基於襯底偏置的超低耗電流復用混頻器。該混頻器包括以下幾個部分一對NMOS管和一對PMOS管組成的跨導級、兩對NMOS管組成的開關級以及電阻構成的負載級。該混頻器跨導級採用自偏置的互補跨導結構，並與開關級構成摺疊結構，大大降低了電源電壓；電路中所有的MOS管襯底均加有固定偏置電壓，減小了MOS管的閾值電壓，實現了超低電壓超低功耗的設計；並採用電流復用技術，改善了電路的噪聲性能，並提高了其轉換增益和線性度。本發明可用於深亞微米射頻CMOS集成電路的應用，可廣泛應用於航空航天領域的電子系統中。
文檔編號H03D7/12GK102611392SQ20121010976
公開日2012年7月25日 申請日期2012年4月13日 優先權日2012年3月23日
發明者張曉林, 申晶 申請人:北京航空航天大學